新概念电池打破纯电动汽车尴尬的门槛

新概念电池打破纯电动汽车尴尬的门槛

自1780年,人类发明了伽尼尔电池以来,经过200多年的技术进化和产业发展,电池已经广泛应用于电子产品、通信设备以及汽车领域。自1881年,世界上第一辆以铅酸电池为动力的三轮车诞生开始,镍镉、镍氢、锂离子、燃料等各种材料的电池也随即诞生。

近年来,纯电动汽车成为焦点,其最基础的动力电池在研发速度上也在不断加快。面对市场上众多品牌的电动汽车车型,单次充电续驶里程的多少,一直是消费者购买电动汽车的主要衡量标准,甚至“里程焦虑”这样的词汇也应运而生。传统的锂电池自发明至今似乎并没有多大的革新,应用在电动汽车上受困于续驶里程短、充电难等而受到诟病。于是,自带性能光环的很多新型电池便受到了更多的关注。

新概念电池打破纯电动汽车尴尬的门槛

电池概念百花齐放

自特斯拉走红之后,几乎每隔一段时间就会冒出几篇高科技电池电动车的新闻。各种新型电池开始逐渐走入人们的视线。无论是被称为可以“革传统锂电池的命”的空气电池、氢燃料电池,还是被冠以“智能穿戴设备救星”之名的固态锂电池,业内人士对新型电池的讨论可谓沸沸扬扬。传统锂电池是否会被取代、何时被取代,也成了很多业内人士关注的焦点。新的电池革命似乎马上就要到来了,实际又如何呢?

各种新概念电池 氢燃料电池:号称次时代的电池

先来看看日本研发的燃料电池,与普通化学电池相比,燃料电池通过补充燃料续航。眼下较为常见的是以氢气作为替代燃料,但氢燃料电池不储能,所以确切地讲,应该称其为“氢发电装置”。也就是说,氢燃料电池的充电方式其实就是像传统汽车加油一样,加注压缩的液态氢。

燃料电池凭借对环境几乎无污染而戴上了光环。通过电化学反应,而不采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)的燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源(光伏电池板、风能发电等)产生的,那么整个循环就彻底不排放任何有害物质。氢发电,电机驱动车辆,只要把加油站换成加氢站就可以了。

新概念电池打破纯电动汽车尴尬的门槛

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但氢燃料电池并非“天下无敌”,它也有几个严峻问题要面对:

一是氢气的来源。氢气不像氮气和氧气在空气中占比那么大,想得到氢气需通过电解水,但这个方法并不太经济,且能量损失极大。电解水耗费了电能,虽产生氢气,但氢气在发电过程中还会有能量损失。更重要的是电解水过程的用电是通过燃烧煤获取,并不环保,与氢燃料电池“无污染”的优点相悖。

二是金属铂的稀缺。在氢燃料电池发电过程中需要用到金属铂作为催化剂。这是一种比24K金更贵的金属,产量少,价格高,所以大规模生产氢燃料电池,铂就是瓶颈之一,且完全没有规模化后成本减少的效应,反而需求越多越贵。

三是加氢站高昂的建设成本也决定了其在短时间内难以大规模铺开。以日本为例,一座加氢站的建设费用平均在4.6亿日元(合人民币2364万元)左右,日本政府最高补贴2.8亿日元(合人民币1439万元),那么除去政府补贴,建造一座加氢站的成本约为人民币925万元。而建设一座普通的加油站仅需200万元。

“目前燃料电池技术已经可以迈入实用化阶段,但加氢站的建设成本将成为一道难关。虽然日本极力推广氢燃料技术,但离真正的产业化还具有相当的一段距离。” 863计划节能及新能源汽车重大专项总体专家组成员肖成伟如是说。

铝空气电池:锂电池的后备军

3000公里的旅程,驾驶纯电动汽车,能源成本或许会大大下降,这在理论上是可行的。目前,美国铝业公司与以色列Phinergy公司展示了这样一种具有超级续驶能力的电池技术:100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量,这种电池无需充电,也无需加注任何燃料,只需每月加注清水即可。相比之下,特斯拉Model S的电池重量超过500公斤,而行驶里程却不到500公里。

铝空气电池并不是传统意义上用于多次存储电能的电池,而是一种释放电能的化学反应装置。它的工作原理是活性金属在水中发生氧化反应释放能量的过程——通过电解液及特殊的电极材料,将释放的能量以电能的形式输出。

所谓“只需加注清水”是针对在电池的生命周期内而言,其本质上消耗的物质是铝,而不是水。金属铝通过不断被氧化生成氢氧化铝,从而产生电能。100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量,行驶完3000公里后,电池的寿命就结束了,需要重新安装,即补充金属铝。

眼下,除了铝空气电池以外,类似的还有锌空气电池、镁空气电池等,它们的区别在于根据不同金属的活性(在水或空气中发生氧化反应的剧烈程度)不同,所使用的电解液及其他辅助材料略有不同。铝空气电池长时间没有得以在电动汽车领域推广应用,也是因为存在许多技术上的短板。

首先,铝空气电池储能能力虽不容小觑,但在能量保存方面却漏洞百出。每一个铝空气电池在出厂时背面都贴有封条,电池本身能量保存的奥秘也在于此:在封条完整的情况下,其存放一年后电量仍能保存95%,一旦揭下封条,空气就会进入并引起化学反应,即使不使用电池,3—12周之内能量也至少会下降50%,而此时即使再贴上封条,其中的能量也会持续快速自消。

其次,虽然目前也有利用铝空气电池在汽车上小范围试用的例子,但动能测试结果却不尽如人意——铝空气电池驱动的汽车最高时速仅为60公里,由于功率不足,基本的爬坡、加速功能完成得也都比较吃力。

如此说来铝空气电池就一无是处吗?其实不然,铝空气电池恰恰可以弥补锂电池续驶不足的尴尬。据悉,有相关部门正在研发让车辆能够根据实际路况和车速的不同,灵活选用不同的电池组合加以应对的系统。如果车辆以每小时30至40公里的速度行驶在路况较好的路面时,就使用铝空气电池,而碰到爬坡上坎的路面时,就切换到锂电池提供电力。

从业内人士观点来看,目前,在汽车领域,以特斯拉为代表的锂电池短期应该还是主流,未来的发展方向是在现有电池基础上,增加燃料电池,形成“燃料电池+蓄电池”的混合车载电源。

液流电池:离实用化最近的新概念电池

液流电池是普通的化学电池,它的特点是把正极和负极电解液单独存放,解决了普通化学电池活性物质利用率的问题,理论上可以有更高的能量密度,而且充放电次数也更多,有非常理想的性能。

液流电池通常包含两个容器,其中贮存有液体化学溶剂,形成两个次系统。这两个次系统间的连接部分,为发电区,以薄膜相隔。这两种化学溶剂,流动到发电区,隔着薄膜,产生离子交换,透过这种方式来进行充放电。

而对于液流电池,电动汽车厂商nanoFLOWCELL在日内瓦国际车展上已经展出了其最新一代的电动汽车产品Quant F。该车使用nanoFLOWCELL液流电池,最大输出功率达到惊人的1075马力,百公里加速仅2.8秒,极速300 km/h以上,续驶长达800km。据悉,该车已经获准在欧洲上路。

“现在全球都比较重视可再生能源,可是由于可再生能源本身具有不连续、不稳定、不可控的特性,因此需要贮存装置。目前,液流电池被认为是最有发展前景的储能产品之一,因为它具有设计灵活、规模大、寿命长等诸多优点。”肖成伟评价道。

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石墨烯电池:充电8分钟 行驶1000km

什么是石墨烯?石墨烯(Graphene)是一种只有一个碳原子厚度的二维平面薄膜。此前一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在。两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

西班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池。按照估算,石墨烯电池比锂电池的充放电速度要快10倍,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车一次充电最多能行驶1000公里,充电时间不到8分钟。另外,其成本比锂电池低77%,完全在消费者承受范围。

肖成伟对于石墨烯的应用前景持肯定态度,“石墨烯的特点是导电速度快,导电性能好。目前很多研究都在实验,具体哪一块很难说,不过缩短充电时间等是肯定的。”

毫无疑问,在如今政府新一轮新能源汽车优惠政策的影响下,新能源车的普及也只是时间问题。而与之应用息息相关的电池行业,其发展也会随之相应提速。各式新型电池层出不穷,从突破技术瓶颈到规模化应用也会在不久的将来成为现实。

作者:韩雅童

汽车之家

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